Александр Аруцев - Концепции современного естествознания

И клинамен, и спонтанное испускание света относятся к событиям, иными словами, к реализациям определенных возможностей, заданных своими вероятностями. События и вероятности фигурируют в теориях эволюции, будь то дарвинизм или история человечества (мы увидим, что события также связаны с термодинамической стрелой времени в области сильно неравновесных процессов). Можно ли пойти дальше, чем Лукреций и Эйнштейн, «добавившие» события к детерминистическим законам? Можно ли «видоизменить» само понятие физического закона так, чтобы включить в наше описание природы необратимость? Принятие такой программы повлекло за собой основательный пересмотр законов природы, который стал возможен благодаря замечательным успехам, связанным с идеями неустойчивости и хаоса.

Начнем с рассмотрения классической динамики. Представляется, что все системы, описываемые законами Ньютона, в чем-то одинаковы. Конечно, каждому известно, что рассчитать траекторию системы трех тел, например Солнца, Земли и Юпитера, труднее, чем траекторию падающего камня, но эти трудности считали непринципиальными, связанными только с большим объемом вычислений. Однако в последние десятилетия выяснилось, что подобное мнение неверно – не все динамические системы одинаковы. Оказалось, что такие системы подразделяются на устойчивые и неустойчивые. Так, маятник устойчив: слабые возмущения мало сказываются на его движении; но для большинства динамических систем малые начальные отклонения постепенно возрастают. Крайний случай неустойчивых систем – так называемые хаотические системы, для которых описание в терминах траекторий становится недостаточным, поскольку первоначально сколь угодно близкие траектории со временем экспоненциально расходятся.

Итак, хаос появляется в макроскопических необратимых процессах, где он, так сказать, «негативен» – делает невозможными определенные предсказания вследствие быстрого расхождения соседних траекторий. Этот эффект равнозначен чувствительности решения уравнения к начальным условиям, через которую обычно определяют хаос. Однако важный новый момент состоит в том, что хаос обретает теперь и «позитивные» аспекты. Так как отдельные траектории становятся чрезмерной идеализацией, Пригожин вынужден обратиться к вероятностному описанию в терминах ансамбля возможных траекторий. Такое описание само по себе не ново: оно служило отправным пунктом развитого Гиббсом и Эйнштейном подхода к статистической физике.

Здесь нужно подчеркнуть одно очень существенное обстоятельство: из вероятностного описания, вводимого для хаотических систем, вытекает необратимость, потому что оно применимо уже не к отдельной траектории, а к пучку, расходящемуся «вееру» возможностей. Это утверждение есть результат строгого анализа методами современной математики. Значит, в таком вероятностном представлении прошлое и будущее начинают играть различные роли. Иначе говоря, хаос вводит стрелу времени в фундаментальное динамическое описание.

Хаос позволяет разрешить парадокс времени, но он делает и нечто большее – привносит вероятность в классическую динамику, то есть в область детерминистической науки. В данном контексте вероятность выступает уже не как следствие нашего незнания, а как неизбежное выражение хаоса. В свою очередь это позволяет по-новому определить хаос. Мы сказали, что хаос приводит к необратимому вероятностному описанию, теперь же мы перевернем это утверждение: все системы, допускающие необратимое вероятностное описание, будем считать хаотическими. Таким образом, системы, о которых идет речь, допускают описание не в терминах отдельных траекторий (или отдельных волновых функций в квантовой механике), а только в понятиях пучков (или ансамблей) траекторий.

Сфера проявлений хаоса чрезвычайно расширилась и включила в себя фактически все системы, описываемые современными теориями взаимодействующих полей. Столь широкое обобщение понятий хаоса требует новой – третьей – формулировки законов физики: первая была основана на исследовании индивидуальных траекторий или волновых функций; вторая – на теории ансамблей Гиббса и Эйнштейна (с динамической точки зрения вторая формулировка не вносит новизны, поскольку, будучи примененной к отдельным траекториям или волновым функциям, сводится к первой). Теперь мы приходим к третьей формулировке, имеющей совершенно иной статус: она применима только к ансамблям и справедлива только для динамических систем. Она приводит к выводам, которые не могут быть получены ни на основе ньютоновской, ни ортодоксальной квантовой механики. Именно это новое представление, вводящее необратимость в фундамент описания природы, позволяет объединить свойства микро и макромира.

Мотивацией концепции И.Р. Пригожина служил парадокс времени, но он существует не сам по себе. С ним тесно связаны два других парадокса, которые, как мы увидим, имеют самое непосредственное отношение к отрицанию стрелы времени: квантовый парадокс и космологический парадокс.

В квантовом мире движение описывают волновыми функциями. Главное отличие волновой механики от ньютоновской состоит в том, что классические траектории, получаемые из уравнения движения, непосредственно соответствуют наблюдаемым, тогда как квантово-механические волновые функции, будучи решениями уравнения Шредингера (играющего, в принципе, ту же роль, что уравнение Ньютона), задают только амплитуду вероятности, с которыми реализуются различные возможные траектории. И чтобы получить сами вероятности каждого исхода, нужно произвести дополнительную операцию – редукцию (коллапс) волнового пакета. Эта операция связана с процедурой измерения, она лежит вне основного уравнения теории.

Отсюда вытекает двойственность квантовой механики – наличие двух разнородных элементов (волновой функции и ее редукции) приводит к концептуальным трудностям, споры вокруг которых продолжаются вот уже шестьдесят лет – с момента возникновения этой теории. Хотя ее с полным основанием называли наиболее успешной из всех существующих физических теорий, пока так и не удалось выяснить физический смысл редукции волновой функции. Многие ученые полагают, что ответственность за нее несет наблюдатель и производимые им измерения.

Между парадоксом времени и квантовым парадоксом есть тесная аналогия. Оба они отводят нам довольно странную роль: получается, что человек ответствен как за стрелу времени, так и за переход от квантовой потенциальной возможности к уже свершившемуся, то есть за все особенности, связанные с переходом от становления к событиям в нашем физическом рассмотрении.

Поскольку квантовые хаотические системы описывают не в терминах волновых функций, а сразу в терминах вероятностей, отпадает необходимость в коллапсе волновой функции. Временная эволюция хаотических систем преобразует описание через волновые функции в описание ансамбля траекторий. Посредником, связывающим нас с природными явлениями, выступает уже не акт наблюдения, а квантовый хаос.